氣體水合物和冰相的研究取得重要進(jìn)展
近日，我院曾曉成教授（美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校Ameritas大學(xué)講座教授）研究組（組員包括材料系的王路研究員及朱重欽博士（科大0614校友)）與大連理工大學(xué)趙紀(jì)軍教授研究組合作，通過理論研究預(yù)言了一種新的氣體水合物和冰相，成果以“A new phase diagram of water under negative pressure: The rise of the lowest-density clathrate s-III”為題發(fā)表在二月十二日《科學(xué)進(jìn)展》(http://advances.sciencemag.org/content/2/2/e1501010)上。
氣體水合物是在一定的溫度、壓力條件下由水和氣體分子結(jié)合生成的類冰的、具有籠形結(jié)構(gòu)的內(nèi)嵌氣體分子結(jié)晶化合物。目前，人們?cè)诤５缀蛢鐾翆影l(fā)現(xiàn)了巨大的天然氣水合物儲(chǔ)量。據(jù)保守估計(jì)，自然界中天然氣水合物中貯存的天然氣總量約為其它化石燃料儲(chǔ)量總和的兩倍，是一種具有良好前景的后續(xù)清潔能源。因此，對(duì)氣體水合物的研究在能源和環(huán)境領(lǐng)域有著非?，F(xiàn)實(shí)而緊迫的意義。
兩個(gè)研究組通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)水分子可以形成一種新的具有立方結(jié)構(gòu)的晶體，將其命名為III型氣體水合物。與已知的I型、II型和H型氣體水合物相比，這種新型氣體水合物具有較小的密度且含有較大的空腔，可以容納較大的氣體分子，如正十二面烷分子。理論計(jì)算表明內(nèi)嵌正十二面烷分子的III型氣體水合物的結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)穩(wěn)定的，而不含氣體分子的空心III型氣體水合物在一定的負(fù)壓區(qū)間內(nèi)也可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
縱觀已知冰相的發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)史：冰II冰III相是在1900年德國發(fā)現(xiàn)的；冰IV-VII相是在1912-1937年間美國發(fā)現(xiàn)的；冰VIII相是在1966-1968年間加拿大發(fā)現(xiàn)的；冰X相是在1984年德國發(fā)現(xiàn)的；冰XI相是在1984年日本發(fā)現(xiàn)的；冰XII-XV相是在1998-2009年間英國發(fā)現(xiàn)的；最近的冰XVI相是在2014年由德國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的。如果在未來的實(shí)驗(yàn)中制備出空心III型氣體水合物，那么它將有可能成為一種新的冰相結(jié)構(gòu)并作為冰XVII相的候選，從而有可能填補(bǔ)中國在發(fā)現(xiàn)新冰相史中的空白。
上述研究得到了中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)等項(xiàng)目的資助。
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